Ученые из Великобритании, Китая и Бельгии обнаружили, что некоторые типы слюды в виде плоскостей из нескольких атомных слоев после замены в них некоторых ионов становятся отличными протонными проводниками, в отличие от графена или гексагонального нитрида бора, имеющих толщину всего в один атом.

Исследователи объясняют это тем, что эти относительно толстые слои содержат в себе поперечные каналы, которые после ионного обмена содержат гидроксильные группы, делающие проход протона внутрь энергетически выгодным. Исследованные материалы проявляют высокую протонную проводимость в диапазоне от 100 до 500 градусов Цельсия, в котором обычно плохо работают другие протонообменные мембраны, что делает их перспективными для использования в топливных ячейках, рассказывают авторы в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.

Протонообменные мембраны характеризуются тем, что они хорошо пропускают через себя протоны (ионы водорода), но не пропускают молекулярные газы, в том числе водород. Они имеют разное применение, но часто их применяют в топливных ячейках. В них водород попадает на анод, теряет электрон и распадается на два протона. Они, в отличие от молекулярного водорода, переходят через мембрану, и на катоде соединяются с кислородом в воду, забирая электрон. Благодаря этой реакции в цепи возникает электрический ток.

В качестве протонообменных мембран применяются различные материалы, в том числе полимеры, однако они обладают недостатками, в том числе низкой протонной проводимостью при температурах порядка сотен градусов Цельсия. В качестве альтернативы ученые предлагают использовать некоторые двумерные материалы, однако многие из них при толщине в несколько атомов уже не проводят протоны, как в случае с дисульфидом вольфрама.

Группа ученых под руководством Марсело Лосады-Идальго (Marcelo Lozada-Hidalgo) из Манчестерского университета модифицировала слюду и показала, что даже в случае, если ее толщина больше толщины монослоя графена или гексагонального нитрида бора в несколько раз, она все равно имеет на два порядка большую протонную проводимость.